汽車行李箱面板模壓成型模具設(shè)計探析
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摘要：為了快速獲得汽車行李箱面板制件，對其模具進行設(shè)計，推導(dǎo)出模壓成型模壓力的理論計算公式，選定影響模壓成型的加熱溫度、時間、模壓壓力、保壓時間四個工藝參數(shù)為水平因素，選定行李箱面板最大變薄率、最大增厚率、收縮率為評價指標(biāo)，并設(shè)計完成正交試驗，運用綜合加權(quán)平均法，得到綜合評分結(jié)果，獲得綜合評價指標(biāo)最好的行李箱面板成型工藝參數(shù)組合，獲得最大變薄率28%、最大增厚率4.3%、收縮率0.8%，汽車行李箱面板最優(yōu)成型工藝參數(shù)模組合為：加熱時間70s，保壓壓力11kPa，保壓時間40s時，優(yōu)化后最大收縮率為28.0880%、最大增厚率為44.3264%、收縮率為0.8901%，根據(jù)最佳工藝參數(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)的行李箱裝面板成型質(zhì)量很好，滿足了生產(chǎn)質(zhì)量的要求。
關(guān)鍵詞：模壓成型；工藝參數(shù)；評價指標(biāo)；正交試驗；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；算法優(yōu)化
模壓成型工藝具有模具結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品尺寸精度高等優(yōu)點，是汽車內(nèi)飾件主要加工方法之一，國內(nèi)外學(xué)者對塑料件的注塑成形性能，以及影響成型過程的各種因素做了大量的理論實驗，但對塑料件的模壓成型研究不多，導(dǎo)致汽車內(nèi)飾件模壓成型模具設(shè)計水平落后，成型工藝參數(shù)基本由經(jīng)驗制定，無法保障內(nèi)飾產(chǎn)品的質(zhì)量，且容易造成人力物力浪費。因此如何解決以上問題成為內(nèi)飾行業(yè)的首要任務(wù)。文獻[1]利用Moldflow注射成型分析功能，完成了模具動模部分的結(jié)構(gòu)分析并得到了合理的結(jié)構(gòu)方案，并將獲得的溫度和壓力結(jié)果導(dǎo)入AN－SYS中，運用ANSYS模擬模具的加熱過程，分析模具的應(yīng)力應(yīng)變狀況，但并未深入研究最佳壓力和溫度組合，不能獲得最佳的成型工藝參數(shù)，并且未進行正交試驗，數(shù)據(jù)不能進一步驗證。文獻[2]進行了正交試驗，分析了成型溫度、成型壓力、保壓時間和冷卻速率四個工藝參數(shù)對板材性能的影響，確定最佳的成型工藝參數(shù)，但是并未分析加熱時間對模壓成型的影響，并且沒有對得到的工藝參數(shù)進行進一步優(yōu)化。文獻[3]為求得PEEK最佳的成型工藝參數(shù)，設(shè)計完成了正交試驗，工藝參數(shù)為加熱溫度及加熱時間，分別取三個水平，雖然作者進行了正交試驗，但是并未考慮壓力和保壓時間對模壓成型的影響。本文設(shè)計了模壓成型模具，設(shè)計并完成了正交試驗并對試驗結(jié)果進行極差分析，求得評價指標(biāo)最優(yōu)時對應(yīng)的工藝的參數(shù)組合。
1汽車行李箱面板模壓成型模具設(shè)計
通過分析了行李箱面板模壓成型過程的受力狀態(tài)，計算得到了模壓壓力，以及對行李箱面板零件的收縮率和模具分模面的分析，完成了模壓模具的凹凸模、料框、導(dǎo)向機構(gòu)和模架的設(shè)計。
1.1汽車行李箱面板模壓成型總體結(jié)構(gòu)方案
行李箱面板從模具中取出后，在冷卻到室溫的過程中，由于材料熱脹冷縮的特性，行李箱面板的實際尺寸會略有回縮。根據(jù)生產(chǎn)總結(jié)，行李箱面板收縮率為1%。根據(jù)模具要求創(chuàng)建行李箱面板凹、凸模實體，該實體長1305mm、寬648mm、高239mm。由分型面分割凹凸模實體，并將分型面上下移動25mm切割凹凸模實體得到厚度為25mm的凹凸模。為防止在成型過程中片材發(fā)生失穩(wěn)起皺，在模具中設(shè)置了料針及料框。料針穿透片材，將四周固定，從而避免了片材起皺的問題。并且設(shè)計了模具料框來配合料針的使用，料框上下對齊，防止片材從料針上滑出，也能夠有效分散片材的水平力，如圖1。行李箱面板模具的導(dǎo)向機構(gòu)包括導(dǎo)柱及導(dǎo)套，導(dǎo)向機構(gòu)能夠使合模過程精準(zhǔn)無誤，減少合模過程中的模具側(cè)壓力，防止模具受到損壞，延長模具使用壽命。本文零件較大，精度要求高，因此選擇四根導(dǎo)柱，如圖2。
1.2汽車行李箱面板模壓成型模壓力計算
過去是由經(jīng)驗公式得到的模壓壓力，行李箱面板模壓成型壓力計算公式[1]為：式中：PZ-垂直方向壓力，MPa；PX-水平方向壓力，MPa；X-面板長度尺寸，mm；Z-面板高度尺寸，mm；n-冪律指數(shù)。行李箱面板長度X=1305mm，高度Z=239mm，取n=1，PX=2kPa，由式（1）得出行李箱面板模壓成型模壓壓力為11MPa。
1.3汽車行李箱面板模具冷卻系統(tǒng)研究
模具材料為金屬，冷卻方式為水冷，將冷卻水循環(huán)于模內(nèi)預(yù)設(shè)的冷卻水道即可進行冷卻。冷卻水道分布在加強筋之間，通過鉚釘固定在凹凸模表面。冷卻水道離行李箱面板表面較近，能夠很好地實現(xiàn)冷卻，如圖3。由冷卻水流量與水道直徑的關(guān)系，可確定冷卻水道直徑d=16mm。冷卻水道的間距l(xiāng)為1.7d≤l≤3d?？椎拇笮「鶕?jù)模具或模具型腔大小而定。由于產(chǎn)品尺寸較大，冷卻水道間距設(shè)定為3d，即48mm，圓整后為50mm。
2汽車行李箱面板模壓成型正交試驗研究
本文正交試驗水平因素達到四個，在多個重要因素同時變化的條件下，最有效的設(shè)計方法就是正交試驗。要完成正交試驗，需要確定行李箱面板模壓工藝參數(shù)，確定水平因素及評價指標(biāo)，試驗完成后對試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，求得評價指標(biāo)最優(yōu)時對應(yīng)的工藝的參數(shù)組合。
2.1汽車行李箱面板模壓成型正交試驗條件
（1）試驗設(shè)備本次行李箱面板模壓成型正交試驗針刺PET+PP復(fù)合材料。行李箱面板烘箱有效尺寸：深1900*寬2530*高500mm，溫度范圍：10～300℃，設(shè)備加熱功率：36kW，箱體外部1.2mm冷軋板，內(nèi)膽采用1.2mm304不銹鋼板，耐火性能好，隔音較好。行李箱面板模壓成型模具本體采用45#鑄鋼，重量為兩噸，使用壽命可達30萬套。冷卻方式為水冷，水管間距80mm，模溫小于8～10℃。模具進壓機方式為叉車叉腳方式。固定方式為壓機臺面壓板槽固定，壓板槽寬度：30mm，間隔：300mm，偶數(shù)排列。行李箱面板模壓成型壓機采用YMG32-315四柱液壓機。（2）試驗過程首先將原材料放進烘箱進行加熱，加熱結(jié)束后的原材料放入模壓模具中，用料針將材料固定并保壓。達到保壓時間后，取出成品，并去除飛邊，放在半成品區(qū)冷卻至室溫，反復(fù)操作，直至得到16組正交試驗表。
2.2汽車行李箱面板模壓成型水平因素
影響模壓成型的主要水平因素為加熱溫度、加熱時間、模壓壓力和保壓時間。查閱相關(guān)文獻資料并結(jié)合實際生產(chǎn)情況，四個因素水平的取值如表1所示。
2.3汽車行李箱面板模壓成型正交實驗評價指標(biāo)
行李箱面板產(chǎn)品的主要缺陷為開裂、起皺、收縮。由于這三個缺陷測量難度較大，且無法量化表示。本文分別用最大變薄率、最大增厚率及收縮率進行代替。由于正交試驗有三個評價指標(biāo)，無法同時使三個指標(biāo)都達到最優(yōu)，因此，可以采用綜合加權(quán)評分法，獲得綜合評價指標(biāo)最優(yōu)的產(chǎn)品。
2.4正交試驗方案設(shè)計及結(jié)果
行李箱面板的正交試驗方案和三個評價指標(biāo)的測量結(jié)果如表2。
2.5正交實驗結(jié)果分析
采用綜合評分法對汽車行李箱面板模壓成型試驗結(jié)果進行分析，并對正交試驗結(jié)果進行極差分析，得到了各因素對評價指標(biāo)的影響程度，以及評價指標(biāo)最優(yōu)時對應(yīng)的工藝參數(shù)組合。其16組試驗結(jié)果評分如表3。根據(jù)綜合評分法的結(jié)果可知第8組評分最高，即第8組評價指標(biāo)最優(yōu)，對應(yīng)的工藝參數(shù)組合為A2B4C3D2。當(dāng)加熱溫度為200℃，加熱時間為70s，保壓壓力為11kPa，保壓時間為40s時，最大收縮率為28.0880%、最大增厚率為44.3264%、收縮率為0.8901%。
3結(jié)論
（1）對行李箱面板模壓成型過程的受力情況進行了分析，確定行李箱面板零件的收縮率、模具的分模，完成了凹凸模設(shè)計，設(shè)計出了行李箱面板的模壓成型模具，對行李箱面板模壓成型進行熱分析，設(shè)計了模具冷卻系統(tǒng)。（2）確定設(shè)計并完成了正交實驗，并利用綜合評分法對正交試驗結(jié)果進行了分析，得到評價指標(biāo)的最優(yōu)時的工藝參數(shù)組合。（3）對試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理分析，得到制件模壓成型最佳工藝參數(shù)組合。
作者:唐凌霄 單位:安徽中鼎動力有限公司
